CN107944139A - 一种网状反射面天线参数化建模方法 - Google Patents
一种网状反射面天线参数化建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种网状反射面天线参数化建模方法：首先选择天线形式为桁架式或径向肋式；然后输入天线参数，对于桁架式天线，所述天线参数包括索网分段数；对于径向肋式天线，所述天线参数包括径向索网层数和周向结点间距；确定索网的边界结点，按照等边三角形原则自底边生长或按照周向结点初始间距生成网面结点；然后生成以相邻网面结点为顶点的所有三角形，形成天线形面；计算天线形面的精度；判断形面精度是否满足预设的精度要求，若满足，则提取天线的索网和形面信息，输出形面设计接口文件，否则采用动态边界调整法，更新反射面的索网和形面，直至形面精度满足预设精度要求。该方法实现了形面精度的高效率精确计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种网状反射面天线参数为建模方法，生成适应桁架式或者径向肋式，符合形面精度要求的天线索网及形面。属于天线技术领域，
背景技术
随着我国卫星通信、无线广播系统、地球观测、遥感等领域的进一步发展，对10米以上口径的大型天线的需求必将进一步增加。该类天线由于受到火箭整流罩容积的限制一般采用的是发射时收拢，入轨后展开的形式。由金属反射丝网和柔性索构成的反射面天线，便是一种适合以上需求的天线形式，因而索网设计也受到越来越广泛的关注。
西安电子科技大学申请的专利“索网反射面天线的测地线索网生成方法”(专利申请号：201410377294.X，申请公布号：CN 104156523 A)，公开了一种索网反射面天线的测地线索网生成方法。该方法可以生成适用于桁架式反射面天线的索网，但是无法生成天线的反射面形面，也无法根据反射面形面精度调整索网设计，以使反射面实现预期的形面精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种网状反射面天线参数化建模方法，适用于桁架式和径向肋式两种天线形式，可根据形面精度要求自适应调整形面设计的天线索网和形面，满足了工程对网状反射面的不同需求，简化了网状反射面天线几何网面设计的工作量。
本发明的技术解决方案是：一种网状反射面天线参数化建模方法，该方法包括以下步骤：
(1)、选择天线形式，所述天线形式为桁架式天线或径向肋式天线；
(2)、初始化天线参数，对于桁架式天线，所述天线参数包括索网分段数N1；对于径向肋式天线，所述天线参数包括径向索网层数N2和周向结点间距d；
(3)、根据步骤(2)所述天线参数确定索网的边界结点，生成网面结点，对于桁架式天线，相邻的网面结点构成等边三角形；
(4)、根据网面结点，形成天线形面；
对于桁架式天线，根据等边三角形原则，连接结点间隔等于三角形边长的网面结点，形成索网结构，任意三条索网相交构成形面三角形，再根据每一个网面结点与理论形面结点的距离，将所有网面结点沿天线焦轴方向移动到理论形面上；
对于径向肋式天线，从内至外逐层连接每层的网面结点，形成索网结构，连接相邻层的相邻结点，形成相邻层间的辅助线，任意一条索网与两条辅助线相交构成形面三角形，再根据每一个结点到与理论形面结点的距离，将所有网面结点沿天线焦轴方向移动到理论形面上；
(6)、计算形面精度，判断形面精度是否满足预设的精度要求，如果满足，则提取索网和形面信息，形成索网和形面设计接口文件，否则，调整网面结点，重复步骤(3)～(7)。
对于桁架式天线，所述步骤(3)的具体步骤为：
(3.1a)、在索网反射面天线投影平面内的索网内接六边形的每个边上，等距离选取N1个结点，作为平面结点；
(3.1b)、将所选取的所有平面结点，投影到索网反射面天线的反射面上，形成索网边界结点；
(3.1c)、从在索网反射面天线投影平面内的索网内接六边形其中任意一条边开始，以其中的索网边界结点为顶点，按照等边三角形原则逐层布置索网结点，形成网面结点。
对于径向肋式天线，所述步骤(3)的具体步骤为：
(3.2a)、在索网反射面天线投影平面内的两个径向肋上等距离选取N2个结点，作为平面结点；
(3.2b)、将所选取的所有平面结点，投影到索网反射面天线的反射面上，形成索网边界结点；
(3.2c)、连接两条径向肋上相应层的索网边界结点，形成每层索网线段，然后将每层索网线段分成k段，得到每层索网结点，形成网面结点，所述k为A/d向上取整的值，所述A为索网线段长度。
所述形面精度通过如下方法计算得到：
(6a)、计算步骤(5)生成的形面三角形的重心坐标及其在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，计算形面误差均方根RMS；
(6b)、然后剖分形面三角形，每次剖分过程中，按中位线法将各形面三角形剖分为4个小形面三角形，从而形成本次剖分后的形面三角形网络；
(6c)、在每次剖分完成之后，计算本次剖分后各形面三角形的重心及其在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，计算形面误差均方根RMS，并且与本次剖分之前的形面误差均方根RMS比较，若剖分前后的形面误差均方根RMS不满足收敛条件，则认为形面误差均方根RMS计算不够精确，进行继续剖分，直到满足收敛条件为止。
步骤(6a)中所述形面误差均方根RMS的计算公式为：
其中，δi表示第i个三角形重心在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，表示所有三角形δi的平均值，Σ表示求和操作，i＝1，2，…，N，N表示形面上所有三角形的总数。
所述第i个形面三角形重心在天线焦轴方向偏离理论曲面的值δi的计算方法为：
其中，xi、yi、zi分别表示第i个三角形重心的x、y、z坐标，f表示天线焦距，i∈[1,N]。
步骤(6b)所述形面三角形剖分的中位线法为：分别取三角形三条边的中点，依次连接三个中点形成三条中位线，这样，两条三角形的边与一条中位线围成一个三角形，三条中位线围成一个三角形，原三角形共剖分为4个面积相等的小三角形。
步骤(6c)中所述的形面误差均方根RMS计算精度收敛条件判断准则为：
其中，ε表示收敛标志，0表示不收敛，1表示收敛，RMSn表示对形面进行第n次剖分后计算得到的形面误差均方根RMS值，RMSn-1表示对形面进行第n-1次剖分后计算得到的形面误差均方根RMS值。
采用动态结点调整法调整网面结点，具体方法为：以形面误差均方根RMS与预设的形面的形面误差均方根RMS优化目标值之差建立目标函数，增加索网分段数或者减小周向结点间距d，使得形面误差均方根RMS与预设的形面的形面误差均方根RMS优化目标值之差的绝对值小于预设的门限。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明通过迭代法计算生成形面的形面均方根误差，克服了现有技术无法对形面精度进行高效率计算的不足，实现了形面精度的高效率精确计算。
(2)、本发明采用动态结点调整法对索网结点进行调整，生成索网和形面，克服了现有技术需要多次调整设计参数来实现形面精度要求的不足，简化了网状反射面天线索网设计的工作量；
(3)、本发明可以适用于桁架式和径向肋式两种形式，克服了现有技术中天线形式单一的不足，满足了工程对不同天线形式的需求。
附图说明
图1为本发明的一种网状反射面天线参数化建模方法流程图；
图2为本发明实施例的桁架式天线索网示意图；
图3为本发明实施例的径向肋式天线索网示意图；
图4为本发明实施例剖分三角形的中位线法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的基本思路是：首先选择天线形式为桁架式或径向肋式；然后输入天线参数，对于桁架式天线，所述天线参数包括索网分段数；对于径向肋式天线，所述天线参数包括径向索网层数和周向结点间距；根据这些参数，确定索网的边界结点，按照等边三角形原则自底边生长(桁架式)或按照周向结点初始间距(径向肋式)生成网面结点；然后生成以相邻网面结点为顶点的所有三角形，形成天线形面；计算天线形面的精度；判断形面精度是否满足预设的精度要求，若满足，则提取天线的索网和形面信息，输出形面设计接口文件，否则采用动态边界调整法，更新反射面的索网和形面，重新计算形面精度、判断其是否满足精度要求。
为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
参照附图1，本发明的具体实施方式如下：
(1)、选择天线形式，所述天线形式为桁架式天线或径向肋式天线；
桁架式天线结构如图2所示，天线反射面由一个环形桁架和其中的索网组成。径向肋式天线由多个图3所示的扇区组成一个圆形结构，每个扇区由两条径向肋和其中的多条周向索网组成。
选取天线形式为桁架式或径向肋式的原则为：
天线口径10米以上的天线，一般选择桁架式天线；
天线口径10米(含)以下的天线，一般选择径向肋式天线。
(2)、初始化天线参数，对于桁架式天线，所述天线参数包括索网分段数N1；对于径向肋式天线，所述天线参数包括径向索网层数N2和周向结点间距d；
(3)、根据步骤(2)所述天线参数确定索网的边界结点，生成网面结点，对于桁架式天线，相邻的网面结点构成等边三角形；
具体步骤为：
(3.1a)、在索网反射面天线投影平面内的索网内接六边形的每个边上，等距离选取N1个结点，作为平面结点；
(3.1b)、将所选取的所有平面结点，投影到索网反射面天线的反射面上，形成索网边界结点；
(3.1c)、从在索网反射面天线投影平面内的索网内接六边形其中任意一条边开始，以其中的索网边界结点为顶点，按照等边三角形原则逐层布置索网结点，形成网面结点。
对于等边三角形，其高为边长的倍。因此结点每前进一行，结点数目增加一个、所有结点相对于上一行横向移动边长的1/2倍、纵向移动边长的倍。在M行之后，结点每前进一行，结点数目减少一个、所有结点相对于上一行横向移动边长的-1/2倍、纵向移动边长的倍。按以上规则直到2×M行，结点布置完成。
对于径向肋式天线，具体步骤为：
(3.2a)、在索网反射面天线投影平面内的两个径向肋上等距离选取N2个结点，作为平面结点；
(3.2b)、将所选取的所有平面结点，投影到索网反射面天线的反射面上，形成索网边界结点；
(3.2c)、连接两条径向肋上相应层的索网边界结点，形成每层索网线段，然后将每层索网线段分成k段，得到每层索网结点，形成网面结点，所述k为A/d向上取整的值。所述A为索网线段长度。
根据网面结点，形成天线形面；
对于桁架式天线，根据等边三角形原则，连接结点间隔等于三角形边长的网面结点，形成索网结构，任意三条索网相交构成形面三角形，再根据每一个网面结点与理论形面结点的距离，将所有网面结点沿天线焦轴方向移动到理论形面上；
对于径向肋式天线，从内至外逐层连接每层的网面结点，形成索网结构，连接相邻层的相邻结点，形成相邻层间的辅助线，任意一条索网与两条辅助线相交构成形面三角形，再根据每一个结点到与理论形面结点的距离，将所有网面结点沿天线焦轴方向移动到理论形面上。
所述第j个网面结点到理论形面的距离dj的计算方法为：
其中，xj、yj、zj分别表示第j个形面结点的x、y、z坐标，f表示天线焦距，j∈[1,num结点]，num结点为节点总数。
(6)、计算形面精度，判断形面精度是否满足预设的精度要求，如果满足，则提取索网和形面信息，所述索网信息包括：网面各结点的坐标和网面各条绳索的绳长；形面信息包括：形面各节点的坐标和形面上每一个三角形所包含的绳索编号)，形成索网和形面设计接口文件，否则，调整网面结点，重复步骤(3)～(7)。
所述形面精度通过如下方法计算得到：
(6a)、计算步骤(5)生成的形面三角形的重心坐标及其在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，计算形面误差均方根RMS；
所述形面误差均方根RMS的计算公式为：
其中，δi表示第i个三角形重心在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，表示所有三角形δi的平均值，Σ表示求和操作，i＝1，2，…，N，N表示形面上所有三角形的总数。
所述第i个三角形重心在天线焦轴方向偏离理论曲面的值δi的计算方法为：
其中，xi、yi、zi分别表示第i个三角形重心的x、y、z坐标。
(6b)、然后剖分形面三角形，每次剖分过程中，按中位线法将各形面三角形剖分为4个小形面三角形，从而形成本次剖分后的形面三角形网络；
然后剖分三角形，每个三角形剖分过程如图4所示，按中位线法将各三角形剖分为4个小三角形，从而形成本次剖分后的三角形网络。具体方法为：分别取三角形三条边的中点，依次连接三个中点形成三条中位线。这样，两条三角形的边与一条中位线围成一个三角形，三条中位线围成一个三角形。对于每个被剖分的三角形，两条边与一条中位线围成的三角形共有3个，三条中位线围成的三角形共有1个。这样，按照中位线法，每个三角形可剖分为4个面积相等的小三角形。
(6c)、在每次剖分完成之后，计算本次剖分后各形面三角形的重心及其在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，计算形面误差均方根RMS，并且与本次剖分之前的形面误差均方根RMS比较，若剖分前后的形面误差均方根RMS不满足收敛条件，则认为形面误差均方根RMS计算不够精确，进行继续剖分，直到满足收敛条件为止。
所述的形面误差均方根RMS计算精度收敛条件判断准则为：
其中，ε表示收敛标志，0表示不收敛，1表示收敛，RMSn表示对形面进行第n次剖分后计算得到的形面误差均方根RMS值，RMSn-1表示对形面进行第n-1次剖分后计算得到的形面误差均方根RMS值。
采用动态结点调整法调整网面结点，具体方法为：以形面误差均方根RMS与预设的形面的形面误差均方根RMS优化目标值之差建立目标函数，增加索网分段数或者减小周向结点间距d，使得形面误差均方根RMS与预设的形面的形面误差均方根RMS优化目标值之差的绝对值小于预设的门限。
综上所述，本发明生成适用于桁架式和径向肋式两种天线形式，可根据形面精度要求自适应调整形面设计的天线索网和形面，满足了工程对网状反射面的不同需求，简化了网状反射面天线几何网面设计的工作量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、选择天线形式，所述天线形式为桁架式天线或径向肋式天线；
(2)、初始化天线参数，对于桁架式天线，所述天线参数包括索网分段数N1；对于径向肋式天线，所述天线参数包括径向索网层数N2和周向结点间距d；
(3)、根据步骤(2)所述天线参数确定索网的边界结点，生成网面结点，对于桁架式天线，相邻的网面结点构成等边三角形；
(4)、根据网面结点，形成天线形面；
对于桁架式天线，根据等边三角形原则，连接结点间隔等于三角形边长的网面结点，形成索网结构，任意三条索网相交构成形面三角形，再根据每一个网面结点与理论形面结点的距离，将所有网面结点沿天线焦轴方向移动到理论形面上；
对于径向肋式天线，从内至外逐层连接每层的网面结点，形成索网结构，连接相邻层的相邻结点，形成相邻层间的辅助线，任意一条索网与两条辅助线相交构成形面三角形，再根据每一个结点到与理论形面结点的距离，将所有网面结点沿天线焦轴方向移动到理论形面上；
(6)、计算形面精度，判断形面精度是否满足预设的精度要求，如果满足，则提取索网和形面信息，形成索网和形面设计接口文件，否则，调整网面结点，重复步骤(3)～(7)。
2.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于对于桁架式天线，所述步骤(3)的具体步骤为：
(3.1a)、在索网反射面天线投影平面内的索网内接六边形的每个边上，等距离选取N1个结点，作为平面结点；
(3.1b)、将所选取的所有平面结点，投影到索网反射面天线的反射面上，形成索网边界结点；
(3.1c)、从在索网反射面天线投影平面内的索网内接六边形其中任意一条边开始，以其中的索网边界结点为顶点，按照等边三角形原则逐层布置索网结点，形成网面结点。
3.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于对于径向肋式天线，所述步骤(3)的具体步骤为：
(3.2a)、在索网反射面天线投影平面内的两个径向肋上等距离选取N2个结点，作为平面结点；
(3.2b)、将所选取的所有平面结点，投影到索网反射面天线的反射面上，形成索网边界结点；
(3.2c)、连接两条径向肋上相应层的索网边界结点，形成每层索网线段，然后将每层索网线段分成k段，得到每层索网结点，形成网面结点，所述k为A/d向上取整的值，所述A为索网线段长度。
4.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于所述形面精度通过如下方法计算得到：
(6a)、计算步骤(5)生成的形面三角形的重心坐标及其在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，计算形面误差均方根RMS；
(6b)、然后剖分形面三角形，每次剖分过程中，按中位线法将各形面三角形剖分为4个小形面三角形，从而形成本次剖分后的形面三角形网络；
(6c)、在每次剖分完成之后，计算本次剖分后各形面三角形的重心及其在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，计算形面误差均方根RMS，并且与本次剖分之前的形面误差均方根RMS比较，若剖分前后的形面误差均方根RMS不满足收敛条件，则认为形面误差均方根RMS计算不够精确，进行继续剖分，直到满足收敛条件为止。
5.根据权利要求4所述的一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于步骤(6a)中所述形面误差均方根RMS的计算公式为：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mi>M</mi>
<mi>S</mi>
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<mo>)</mo>
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</msup>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
其中，δi表示第i个三角形重心在天线焦轴方向偏离理论曲面的值，表示所有三角形δi的平均值，Σ表示求和操作，i＝1，2，…，N，N表示形面上所有三角形的总数。
6.根据权利要求5所述的一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于所述第i个形面三角形重心在天线焦轴方向偏离理论曲面的值δi的计算方法为：
<mrow>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>|</mo>
</mrow>
其中，xi、yi、zi分别表示第i个三角形重心的x、y、z坐标，f表示天线焦距，i∈[1,N]。
7.根据权利要求3所述的一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于步骤(6b)所述形面三角形剖分的中位线法为：分别取三角形三条边的中点，依次连接三个中点形成三条中位线，这样，两条三角形的边与一条中位线围成一个三角形，三条中位线围成一个三角形，原三角形共剖分为4个面积相等的小三角形。
8.根据权利要求3所述的一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于，步骤(6c)中所述的形面误差均方根RMS计算精度收敛条件判断准则为：
<mrow>
<mi>&epsiv;</mi>
<mo>=</mo>
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</mtd>
</mtr>
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</mfenced>
</mrow>
其中，ε表示收敛标志，0表示不收敛，1表示收敛，RMSn表示对形面进行第n次剖分后计算得到的形面误差均方根RMS值，RMSn-1表示对形面进行第n-1次剖分后计算得到的形面误差均方根RMS值。
9.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线参数化建模方法，其特征在于采用动态结点调整法调整网面结点，具体方法为：以形面误差均方根RMS与预设的形面的形面误差均方根RMS优化目标值之差建立目标函数，增加索网分段数或者减小周向结点间距d，使得形面误差均方根RMS与预设的形面的形面误差均方根RMS优化目标值之差的绝对值小于预设的门限。
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- 2017-11-23 CN CN201711182702.6A patent/CN107944139B/zh active Active
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|---|---|
| CN107944139B (zh) | 2021-04-13 |
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